車軸鋼中非金屬夾雜物鈣處理變性研究

高建兵， 鄔中華， 王玉玲

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

車軸鋼中非金屬夾雜物鈣處理變性研究

高建兵， 鄔中華， 王玉玲

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

通過對(duì)比分析，采用加入和未加入Ca-Si線兩種生產(chǎn)工藝，研究了車軸鋼中非金屬夾雜物的組成與形貌。結(jié)果表明，采用鈣處理后鋼中非金屬夾雜物由脆性向塑性轉(zhuǎn)變，并且得到了明顯的球化處理。

鈣處理 車軸鋼 非金屬夾雜 變性

隨著鐵路高速、重載的發(fā)展，鐵道車輛對(duì)關(guān)鍵的運(yùn)轉(zhuǎn)部件的要求越來越高。

車軸是列車運(yùn)行的重要承重部件，列車所有的重量均壓在車軸上，且在運(yùn)行中承受各種交變應(yīng)力。因此，可以說車軸質(zhì)量是列車安全運(yùn)行的前提保障。

有研究表明，鋼中非金屬夾雜物會(huì)降低鋼材的強(qiáng)度和韌性，非金屬夾雜往往是鋼疲勞破壞的起源［1］。對(duì)于列車關(guān)鍵承重部件——車軸，要求必須嚴(yán)格控制其材質(zhì)中非金屬夾雜數(shù)量、分布及形態(tài)、消除鋼中大顆粒夾雜和脆性夾雜物。

本文通過對(duì)比分析，采用加入和未加入Ca-Si線兩種生產(chǎn)工藝，研究了車軸鋼中非金屬夾雜物的變性處理。

1 工藝試驗(yàn)

在特殊鋼冶煉廠碳鋼生產(chǎn)線進(jìn)行車軸鋼的試制，其工藝流程為：EBT-EAF→LF精煉→VD真空處理→模注。在LF工序進(jìn)行合金成分調(diào)配，并進(jìn)行渣系的調(diào)整，充分降低鋼中的S、T.O含量。在VD真空處理過程中，底吹氬氣，對(duì)鋼液充分脫氣，使鋼液中非金屬夾雜上浮。在VD真空處理結(jié)束后進(jìn)行鈣處理，通過喂絲機(jī)向鋼液中喂入一定數(shù)量的Ca-Si線。喂線操作完成后，禁止再向鋼液中喂入Al線，并保證足夠的鋼液鎮(zhèn)靜時(shí)間。

為研究鈣處理對(duì)車軸鋼中非金屬夾雜的影響，冶煉了兩爐車軸鋼。對(duì)于其中一爐，在VD真空處理完后不喂入Ca-Si線，底部軟吹氬氣15 min后直接澆注；對(duì)于另一爐，在VD真空處理結(jié)束后，按0.75～1.0 kg/t的速度快速喂入Ca-Si線進(jìn)行鈣處理，底部軟吹氬氣15 min后吊往注臺(tái)澆注。試驗(yàn)兩爐鋼主要化學(xué)成分控制如表1。

表1 試驗(yàn)用鋼的冶煉成分 %

由表1可知：未進(jìn)行鈣處理的鋼液中w（Ca）= 0.000 5%，其m（Ca）/m（S）=0.17；而喂入Ca-Si線的鋼液中w（Ca）=0.002 4%，其m（Ca）/m（S）=1.2，滿足文獻(xiàn)［3］的研究條件：鋼中m（Ca）/m（S）在1～2的范圍，鋼中夾雜物球化程度較好。

2 試驗(yàn)結(jié)果

將模注的鋼錠通過初軋開坯后軋制成260 mm×260 mm規(guī)格的方坯，在相當(dāng)于鋼錠頭部的方坯取樣，并按照?qǐng)D1所示鋸取20 mm×10 mm的金相試樣，將其磨平拋光后對(duì)軋向截面進(jìn)行非金屬夾雜物分析。取樣位置及分析部分如圖1所示。

圖1 分析取樣位置示意圖（單位：mm）

利用金相顯微鏡對(duì)拋光的試樣進(jìn)行截面觀察，發(fā)現(xiàn)1號(hào)（未進(jìn)行鈣處理）鋼中非金屬顆粒尺寸較大，約50 μm，而2號(hào)（進(jìn)行鈣處理后）鋼中非金屬夾雜物的尺寸細(xì)小，在10～15 μm左右，且明顯得到了球化，如下頁圖2所示。

從分析結(jié)果來看，1號(hào)鋼中非金屬夾雜以A類夾雜為主，而2號(hào)鋼中非金屬夾雜物為球狀的D類夾雜，且尺寸明顯細(xì)化。

圖2 鋼中非金屬夾雜物分析

3 分析與討論

鈣處理是目前冶煉品種鋼的重要爐外精煉手段［2］，通常通過向鋼液中喂入一定量的Ca-Si線，增加鋼中的有效Ca含量。冶煉車軸鋼采用的脫氧工藝為加Al脫氧，在LF鋼包精煉和VD脫氣完成后，測(cè)得鋼液中自由氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）已降低至4×10-6左右，此時(shí)進(jìn)行鈣處理，鋼中Ca主要與團(tuán)絮狀的Al2O3發(fā)生反應(yīng)變成低熔點(diǎn)復(fù)合夾雜物，夾雜物在底吹氬氣的作用下上浮，達(dá)到凈化鋼液的目的，其反應(yīng)方式可用下式［4］表示：

一般認(rèn)為低熔點(diǎn)復(fù)合夾雜物為12CaO·7A12O3。

另一方面，進(jìn)行鈣處理后的鋼水在凝固過程中提前形成高熔點(diǎn)CaS（熔點(diǎn)2 400℃），抑制了鋼水生成枝晶狀的MnS的數(shù)量和聚集程度，起到控制MnS的形態(tài)和組成的作用，并使得枝晶狀MnS轉(zhuǎn)化成球狀的CaS。

通過掃描電鏡和能譜分析可以看出，未進(jìn)行鈣處理的鋼液中非金屬夾雜物主要為長條狀硫化物（MnS），并伴有氧化物的存在，沿軋制方向呈長條狀，如圖3所示。

圖3 未進(jìn)行鈣處理鋼中非金屬夾雜SEM形貌與組成

進(jìn)行鈣處理后的鋼水中非金屬夾雜物呈球狀，通過能譜分析可以看到，球狀非金屬夾雜物外部為CaS，在其內(nèi)部也可以看到有CaS的存在，但主要組成仍是Al2O3、MgO夾雜，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為CaS外殼包裹著Al3O2-MgO的球狀，如圖4所示。這是由于經(jīng)過鈣處理后，鋼水中團(tuán)絮狀的Al2O3逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殇X酸鈣，MnS轉(zhuǎn)變?yōu)镃aS，同時(shí)CaS能極大地溶解于鋁酸鈣中，所以可以看到球狀鋁酸鈣夾雜內(nèi)部也有CaS的存在，表現(xiàn)為滲透性包裹復(fù)合相。

圖4 進(jìn)行鈣處理后鋼中非金屬夾雜SEM形貌與組成

通過能譜分析可以看出，這種球狀的非金屬夾雜物為CaS-Al2O3-MgO的復(fù)合相，試樣中未發(fā)現(xiàn)有單獨(dú)的脆性相夾雜。這種改性的球形夾雜對(duì)材料的危害作用大大減弱了，從而提高了鋼材的質(zhì)量，增加了車軸的使用安全性。

4 應(yīng)用效果

在對(duì)鋼質(zhì)潔凈度有更高要求的高速車軸鋼冶煉生產(chǎn)中，應(yīng)用此Ca處理工藝，取得了較好的效果：夾雜物以球狀D類夾雜為主，B類非金屬夾雜物降低到0.5級(jí)以下，且尺寸在10 μm以內(nèi)，沖擊韌性（U型槽，2 mm）提高到60 J以上。

5 結(jié)論

1）LF和VD精煉完成后，鋼中S含量、T.O含量被脫除到很低水平，此時(shí)進(jìn)行鈣處理，在鋼水中m（Ca）/m（S）≈1時(shí)，可以達(dá)到較好的鈣處理效果。

2）未進(jìn)行鈣處理的鋼中夾雜物以Al2O3和MnS為主；采用鈣處理后的鋼中非金屬夾雜為球狀CaS-Al2O3-CaO復(fù)合夾雜，且夾雜物尺寸明顯細(xì)化。

3）該工藝應(yīng)用于高速車軸鋼的生產(chǎn)中，效果良好。

［1］ 張愛梅.非金屬夾雜物對(duì)鋼性能的影響［J］.物理測(cè)試，2006，24（4）：42-44.

［2］ 劉鋼，張旺勝，李斌.鈣處理工藝對(duì)夾雜物變性理論分析與實(shí)踐［J］.江西冶金，2009，29（3）：3-5.

［3］ 李紀(jì)祥.高韌性低合金鋼喂Ca-Si線工藝優(yōu)化及夾雜物控制研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2004：27.

［4］ 張莉萍，葛建國，趙愛軍.淺談鋼中夾雜物的控制對(duì)鋼質(zhì)量的影響［J］.包鋼科技，2002，28（4）：85-87.

（編輯：胡玉香）

The Degeneration Study of Calcium Treatment on the Non-metallic Inclusions in Axle Steel

GAO Jianbing，WU Zhonghua，WANG Yuling
（Shanxi Taigang Stainless Steel Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030003）

The compositions and morphologies of the non-metallic inclusions with and without calcium treatment in the process of axle steel smelting are compared.The results show that the non-metallic inclusions undergo a transition from brittleness to plasticity by the calcium treatment and are spheroidized significantly.

calcium treatment，axle steel，non-metallic inclusions，degeneration

TG115.21+3.3

A

1672-1152（2016）05-0004-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.02

2016-09-21

高建兵（1976—），男，高級(jí)工程師，從事碳鋼和不銹鋼品種開發(fā)、質(zhì)量改進(jìn)和工藝優(yōu)化等相關(guān)工作。